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登錄剪切增稠的案例
CFD學習:臨界剪切應力對剪切稀化和剪切增稠流體的影響
存在一個特定的剪切應力值,在該值處觀察到粘度大幅下降,該值稱為臨界剪切應力。
剪切稀化流體在低剪切速率下表現出恒定的粘度值。剪切稀化流體的恒定粘度值稱為零剪切粘度或零剪切粘度平臺。隨著施加的剪切應力增加,在特定點觀察到粘度大幅下降。剪切應力或剪切速率的該值稱為臨界剪切應力或臨界剪切速率。在臨界剪切速率點,流體開始發生剪切稀化行為。
屈服應力
乳液、聚合物溶液和熔體是剪切稀化流體的例子。在高度剪切稀化的流體中,粘度達到無限值并且固體的特征變得可見。這種行為在低于臨界剪切應力值(稱為屈服應力)時出現。由于屈服應力而產生的行為或流動響應稱為塑性流動。塑性流動的特點是隨著剪切速率接近零,粘度不斷增加。
屈服應力的重要性
屈服應力是流體達到結構化流動時所施加的應力。屈服應力在涉及泵送、涂覆和鋪展的應用中非常重要。在重力引起的應力相對較低的流體中,屈服應力會抑制流動。這主要被視為阻燃涂料、油漆、石膏、粘合劑等產品的抗坍落度和流掛性。屈服應力在流體流動中引入了所需和不需要的質量。
接下來,讓我們看看臨界剪切應力如何影響剪切增稠。
剪切增厚和臨界剪切應力
在某些流體中,粘度隨著剪切速率或剪切應力的增加而增加。這種流體稱為剪切增稠流體,這種現象稱為剪脹性。剪切增稠通常表現為具有高濃度固體顆粒的顆粒懸浮液或分散體。
剪切增稠液用于減震器和防護設備。大多數剪切增稠流體在低剪切速率和應力下表現出剪切稀化行為。剪切稀化行為的破壞發生在臨界剪切應力下,并隨著粘度的增加而在流體行為中帶來類似固體的轉變。
臨界剪切應力是影響流體流動響應的重要參數。表現出剪切增稠和剪切稀化特性的流體行為取決于臨界剪切應力。
展開 揭秘:復聯3鋼鐵俠戰甲中的材料黑科技!
筆者目前對高吸能材料(泡沫材料、剪切增稠液等)有一些了解,在這里不做過多綜述,主要對目前現有的剪切增稠液做一個簡單的介紹:
剪切增稠液是由分散相和分散介質組成的分散體系,分散相為固體微顆粒"分散介質為低分子有機或者無機液體,分散相體積分數一般在40%以上。
剪切增稠液主要分為兩大類,一類是由納米粒子為分散相的膠體體系如氣相二氧化硅,納米碳酸鈣等。
另一類是由亞微米或者微米級的粒子為分散相的懸浮體系,如亞微米的二氧化硅、亞微米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微米級的淀粉等。PS:PMMA就是常用的玻璃替代品(有機玻璃)。
上圖展示了兩類剪切增稠液由于分散相顆粒尺寸存在數量級的差異,表觀行為也有顯著差別,前者一般表現為連續性的剪切增稠(Continuous shear thickening),后者在高濃度的狀態下會出現非連續性剪切增稠(Discontinuous shear thickening)。
剪切增稠機理:
有序到無序(熵增系統,吸收能量),粒子簇(Cluster)和粒子堵塞機理。其中粒子簇機理很好的解釋了連續性剪切增稠的過程,但是對于非連續的剪切增稠體系,粒子堵塞機理就更量化的解釋了。
目前剪切增稠液的應用:
Mahfuz等用改性二氧化硅制備剪切增稠液,利用該剪切增稠液與Kevlar織物制備復合材料,與未改性二氧化硅制備的剪切增稠液相比,這種剪切增稠液可以大大提高織物吸收能量的能力。
說到具體應用,需要提及兩個重量級的產品:D3O和P4U。
D3O是一種工程定向設計的材料, 確切的分子結構還屬于商業秘密。
展開 剪切增稠/蜂窩夾芯防護結構仿真模擬(STF) ¥200
[圖片]
普林斯頓大學開發出可進行傷口治療的3D打印水凝膠
無化學剪切方法可用于傷口治療等領域。
由于它們的物理性質:孔隙度、含水量和松軟,水凝膠是許多科學學科中的重要物質。尤其在快速發展的生物3D打印領域,其中使用水凝膠將單獨的不可打印的活細胞保持為固體且轉化為可打印的形式。
創建一個有效的水凝膠是困難的,通常需要化學反應和物質相互作用,但普林斯頓的研究人員開發了一種水凝膠,不需要這樣的化學物質。相反,當纖維被迫通過注射器時,纖維相互滑動形成水凝膠。
研究人員對他們的新產品感到非常興奮,并認為它可以用來治療傷口,甚至為生物醫學和其他領域開辟了一個全新的可注射水凝膠。
研究論文的聯合主要作者Antonio Perazzo聲稱:“研究含有這種高柔性纖維的懸浮液中的物質流動從未真正嘗試過,但追求新穎的研究為我們帶來了前所未有的柔性纖維流動誘導凝膠的結果?!?軟性可延展凝膠行為的科學解釋是剪切增稠的現象,其導致纖維在應力下凝固和凝膠化。然而,一般而言,纖維和水的混合物將產生相反的效果:剪切稀化。
那么,是什么讓水凝膠變厚而不是變薄呢?
他們組織了一個詳細的研究,看看如何用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA),一種完全無毒的柔性和生物相容性塑料制成的微纖維發生這種剪切增稠。
這些超細纖維的直徑為35微米,長約12毫米,放入水中時最初以自由流動的非纏結狀態存在。但是,當放置在帶有旋轉頂板的流變儀中時(通過將纖維周圍旋轉對混合物施加壓力),纖維彎曲、互鎖和纏結。
最后,纖維纏繞在一起,與水分開,盡管有些水仍然留在水中。這產生具有明顯水凝膠性質的充水纖維網絡。甚至可以通過調整微纖維的長度和直徑來控制凝膠的性質。
普林斯頓大學的研究人員現在計劃通過優化材料在通過注射器時的凝膠化以及合并有用的物質如抗生素、營養素和生物分子來改善這一過程。
水凝膠最終可以用于傷口治療,注射器最終可以被生物3D打印機取代。
展開 
中國制造之防彈材料
液體防彈材料
液體防彈材料(TBS)的主要成分是一種特制“剪切增稠液體(STF)”,這種液體一般由分散粒子SiO2和有機物分散介質乙烯基乙醇、聚乙二醇、局丙二醇或者礦物油等一種或幾種的混合物組成?!?em>剪切增稠液”中自由懸浮著粒子,當液體因為劇烈沖擊而被攪亂時,其中的特殊粒子相互碰撞,形成了對這種攪動的抵抗力。
當攪動力足夠大時,這些粒子其實就已被相互“鎖定”。當子彈高速撞擊這種材料時,“剪切增稠液”防彈衣就會吸引撞擊能量,并迅速變得極其堅硬,從而吸收子彈的沖擊能量。
碳納米管
碳納米管是迄今為止發現的力學性能最好的材料之一,有著極高的拉伸強度和斷裂伸長率。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一,單位質量上的拉伸強度,卻是鋼鐵的276倍,彈性模量參數,碳納米管比凱夫拉強2.4倍,綜合性能遠遠超過目前人類發現和制造的其他任何材料。
防彈效果上主要是體現在彈性模量上,也就是說碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強度最起碼高2.4倍。
據R&D雜志2013年11月5日報道,Garrison Bespoke公司推出了首套時尚防彈西裝。
此防彈衣是由納米技術制得的碳納米管構成,最初是為在伊拉克的美軍第19部隊特種兵而設計開發的,專利材料更薄、更柔軟,重量只有傳統防彈衣使用的凱夫拉的一半,而且還可以防刺傷,通過碳納米管硬化影響防止刀具穿透。
石墨烯
作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯被稱為“黑金”,是“新材料之王”,科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。
研究石墨烯防彈衣的科學家表示,石墨烯制成的防彈衣擁有2倍于現有防彈衣技術(凱夫拉)的防護能力。
展開 全世界70%防彈衣是"中國制造"!這些防彈材料你都知道嗎?
液體防彈材料
液體防彈材料(TBS)的主要成分是一種特制“剪切增稠液體(STF)”,這種液體一般由分散粒子SiO2和有機物分散介質乙烯基乙醇、聚乙二醇、局丙二醇或者礦物油等一種或幾種的混合物組成?!?em>剪切增稠液”中自由懸浮著粒子,當液體因為劇烈沖擊而被攪亂時,其中的特殊粒子相互碰撞,形成了對這種攪動的抵抗力。
當攪動力足夠大時,這些粒子其實就已被相互“鎖定”。當子彈高速撞擊這種材料時,“剪切增稠液”防彈衣就會吸引撞擊能量,并迅速變得極其堅硬,從而吸收子彈的沖擊能量。
碳納米管
碳納米管是迄今為止發現的力學性能最好的材料之一,有著極高的拉伸強度和斷裂伸長率。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一,單位質量上的拉伸強度,卻是鋼鐵的276倍,彈性模量參數,碳納米管比凱夫拉強2.4倍,綜合性能遠遠超過目前人類發現和制造的其他任何材料。
防彈效果上主要是體現在彈性模量上,也就是說碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強度最起碼高2.4倍。
據R&D雜志2013年11月5日報道,Garrison Bespoke公司推出了首套時尚防彈西裝。
此防彈衣是由納米技術制得的碳納米管構成,最初是為在伊拉克的美軍第19部隊特種兵而設計開發的,專利材料更薄、更柔軟,重量只有傳統防彈衣使用的凱夫拉的一半,而且還可以防刺傷,通過碳納米管硬化影響防止刀具穿透。
石墨烯
作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯被稱為“黑金”,是“新材料之王”,科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。
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液體防彈材料
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防彈效果上主要是體現在彈性模量上,也就是說碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強度最起碼高2.4倍。
據R&D雜志2013年11月5日報道,Garrison Bespoke公司推出了首套時尚防彈西裝。
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石墨烯
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展開 做到這些,熱失控將不再是鋰電池安全的不治之癥!
Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導致的鋰電池內短路發生,設計了一種具有剪切增稠特性的電解液(圖3),該電解液利用非牛頓流體的特性,在正常狀態下,電解液呈現液體狀態,在遭遇突然的沖擊后則會呈現固體狀態,變得異常堅固,甚至能夠達到防彈的效果,從而從根源上避免了在動力電池發生碰撞時電池內短路導致熱失控的風險。
圖3. 剪切增稠電解液示意圖
五、導電劑與粘結劑
導電劑與粘結劑的種類與數量也影響著電池的熱穩定性,粘結劑與鋰在高溫下反應產生大量的熱,不同粘結劑發熱量不同 , PVDF 的發熱量幾乎是無氟粘結劑的2倍 ,用無氟粘結劑代替PVDF可以提高電池的熱穩定性。Jigang Zhou等人[11]最近還通過將復雜復合電極熱失控前后的相分布進行單個電極顆粒層面的成像,并將多種相分離現象在熱失控前后的相關性進行了納米級別的可視化,發現熱失控可能與導電劑以及粘結劑的分布呈現密切的相關性。他們創新性地將具有元素及軌道選擇性、化學與電子結構敏感性的透射X光掃描顯微技術(PEEM)用于研究熱失控下鈷酸鋰層狀電極顆粒在多孔電極中相分離中的行為。熱失控前后相分離在單個電極顆粒層面呈現出超乎預測的不均勻化。這種不均勻化與顆粒尺寸、晶面結構相關性不明顯,但與導電劑以及粘結劑的分布呈現密切的相關性。
鋰離子電池熱失控嚴重威脅著使用者的生命還財產安全,提高鋰離子電池的安全性、避免熱失控的發生不僅需要從電池材料上做出改變,還需要結合電池配方設計、結構設計和電池組的熱管理設計上多管齊下,共同提高鋰電池熱穩定性,減少熱失控發生的可能性。
來源:材料人
展開 助力科研|光學3D表面輪廓儀服務超精密拋光技術發展
光學3D表面輪廓儀助力科研課題研究,服務超精密拋光技術發展
浙江工業大學趙軍、呂冰海團隊對磨料旋轉射流拋光(ARJP)技術,剪切增稠拋光技術等開展深入研究,并利用SuperView W1系列光學3D表面輪廓儀對拋光后表面粗糙度進行檢測驗證,多篇論文在國際TOP期刊發布。
《Tribology International》(中科院一區)
Numerical and experimental investigation on the material removal profile during polishing of inner surfaces using an abrasive rotating jet
《Wear》(中科院一區)
Effect of elastohydrodynamic characteristics on surface roughness in cylindrical shear thickening polishing process
《Surface & Coatings Technology》(中科院一區)
Surface polishing and modification of Ti-6Al-4V alloy by shear thickening polishing
中圖儀器誠摯邀請廣大科研老師合作
我們熱切期待參與需要利用光學3D表面輪廓儀對材料、元器件表面進行微觀形貌分析的研究課題。
展開 第一屆全國軟物質力學大會在杭州召開
在接下來的時間里,南京航空航天大學盧天健教授做了“含液多孔介質的跨尺度流固耦合理論”報告;哈爾濱工業大學冷勁松教授做了“形狀記憶聚合物復合材料結構:主動變形、4D打印及結構設計”報告;清華大學馮西橋教授做了“集合細胞動力學”報告;麻省理工學院趙選賀教授做了“人機融合的軟材料技術: 力學基礎”報告;中國科學技術大學龔興龍教授做了“剪切增稠材料及其力學性能研究”報告;大連理工大學郭旭教授做了“拉壓不同模量結構與材料的力學分析”報告;清華大學馮雪教授做了“柔性集成器件及其力學調控機理”報告;哈爾濱工業大學深圳校區仲政教授做了“考慮傳質-傳熱-化學反應的軟物質理論建模與分析”報告;北京理工大學陳少華教授做了“壁虎黏附機制的多尺度力學仿生研究”報告;浙江大學陳偉球教授做了“軟材料結構中的波及其控制”報告;西安交通大學周進雄教授做了“具有多穩態的軟機械超材料力學行為”報告;哈爾濱工業大學呂海寶教授做了“記憶聚合物玻璃化轉變的熱力學行為研究”報告;浙江大學曲紹興教授做了“智能軟材料、軟體機器人與力學”報告。上述特邀報告介紹了軟物質力學及相關領域最新的研究成果、發展趨勢及面臨挑戰,引起了與會者的熱烈討論。
軟物質力學是新時代力學領域的重要研究方向之一,其中蘊含著許多尚未解決的基礎力學問題,同時軟物質力學的深入研究也有助于產生顛覆性技術,開辟新的工程應用。軟物質力學的研究具有多學科交叉融合的鮮明特點,其進一步發展需要建立或發展新的力學理論體系、計算方法和實驗手段,這對學術交流提出了迫切的要求。在此背景下舉行“第一屆全國軟物質力學大會”,具有特別的意義。本次會議的特邀報告人都是當前國內外軟物質力學及相關領域的著名學者,強大的陣容給全體參會者奉上了一場非同一般的學術盛宴。報告人之間、報告人和參會代表之間也進行了充分的互動,討論過程精彩熱烈。
展開 【JY】超詳細的非牛頓流體模型使用方法
剪切速率很小時,聚合物粘度較大,且通常為一個定值,所以常作為聚合物粘度的標準;
無限剪切粘度:η_∞,也稱第二牛頓粘度。剪切速率非常大時,聚合物大分子鏈容易發生降解,有時可取為0;
Yasuda指數:a,控制從第一牛頓流動區到剪切變稀指數區域的粘度轉變速度的常數(a<1時,轉變區域擴大),當a取2時就是 Carreau模型。
例如:下圖是3%乳清蛋白分離物和0.4%黃原膠假塑性溶液的粘度曲線。
如果應用Carreau-Yasuda流變方程進行擬合,擬合參數如下:
Carreau Yasuda模型適用于高分子聚合物的剪切變稀行為,而且是最常用于表征人體血液粘稠度的非牛頓模型之一。
不同模型血液粘度值測量數據的對比
(圖片摘自 G. Mach 等人員在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站發表的演示作品)
③ 交叉模型:
交叉(Cross)模型可全面描述“S”形流動曲線反應的轉折,石油化工領域應用較多,通常用來描述瀝青等熱塑性材料。
冪律指數:n,為流動行為指數或非牛頓指數,n可取大于1或小于1的數值;
時間常數:λ,也稱松弛時間,指材料受力變形,外力解除后恢復正常狀態所需的時間;
零剪切粘度:η_0,也稱第一牛頓粘度。剪切速率很小時,聚合物粘度較大,且通常為一個定值,所以常作為聚合物粘度的標準;
交叉(Cross)模型還有一些其他表達形式,例如:Cross-Exp模型、Cross-WLF模型。
Cross-Exp模型:
Cross-WLF模型 :
④ Herschel-Bulkley模型:
Herschel-Bulkley模型可以描述帶有屈服應力的剪切變稀或剪切增稠流體。
模型中的流動行為指數n=1的情況下,Herschel-Bulkey模型將退化為Bingham模型,可用來描述賓漢流體。
展開 
【JY】超詳細的非牛頓流體模型使用方法
剪切速率很小時,聚合物粘度較大,且通常為一個定值,所以常作為聚合物粘度的標準;
無限剪切粘度:η_∞,也稱第二牛頓粘度。剪切速率非常大時,聚合物大分子鏈容易發生降解,有時可取為0;
Yasuda指數:a,控制從第一牛頓流動區到剪切變稀指數區域的粘度轉變速度的常數(a<1時,轉變區域擴大),當a取2時就是 Carreau模型。
例如:下圖是3%乳清蛋白分離物和0.4%黃原膠假塑性溶液的粘度曲線。
如果應用Carreau-Yasuda流變方程進行擬合,擬合參數如下:
Carreau Yasuda模型適用于高分子聚合物的剪切變稀行為,而且是最常用于表征人體血液粘稠度的非牛頓模型之一。
不同模型血液粘度值測量數據的對比
(圖片摘自 G. Mach 等人員在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站發表的演示作品)
③ 交叉模型:
交叉(Cross)模型可全面描述“S”形流動曲線反應的轉折,石油化工領域應用較多,通常用來描述瀝青等熱塑性材料。
冪律指數:n,為流動行為指數或非牛頓指數,n可取大于1或小于1的數值;
時間常數:λ,也稱松弛時間,指材料受力變形,外力解除后恢復正常狀態所需的時間;
零剪切粘度:η_0,也稱第一牛頓粘度。剪切速率很小時,聚合物粘度較大,且通常為一個定值,所以常作為聚合物粘度的標準;
交叉(Cross)模型還有一些其他表達形式,例如:Cross-Exp模型、Cross-WLF模型。
Cross-Exp模型:
Cross-WLF模型 :
④ Herschel-Bulkley模型:
Herschel-Bulkley模型可以描述帶有屈服應力的剪切變稀或剪切增稠流體。
模型中的流動行為指數n=1的情況下,Herschel-Bulkey模型將退化為Bingham模型,可用來描述賓漢流體。
展開 上海有機所唐勇/王曉艷團隊在超支化聚合物的高效合成與應用探索方面取得新進展
發動機的燃油效率高度依賴于高粘度指數 (VI) 聚合物的高溫下防止油品變稀、同時低溫下對油品增稠最小的能力。剪切穩定性對于VII也是非常重要的,因為高剪切條件在大多數實際應用中是普遍存在的。高分子量的線型聚合物可以提供高的VI;然而,在高機械剪切條件下,由于不可逆的鏈斷裂,其性能會隨著分子量的降低而急劇下降。結果表明,與使用其它支化劑得到的超支化聚合物相比,PEHMA
50
-DVB
0.75
表現出更好的高溫增黏能力和VI改善能力。一般情況下,聚合物的增黏和改善黏度指數的能力隨著拓撲結構由高支化向線型結構的轉變而增強。然而,盡管線型的PEHMA
600
分子量較高,但與超支化的PEHMA50-DVB0.75相比,其改善VI值的優勢并不明顯。此外,與PEHMA50-DVB0.75相比,市售的線型聚甲基丙烯酸酯VII (TK-chem V6545) 在高溫增黏能力和VI改善能力方面表現較差。更為重要的是,與其它聚合物、尤其是線型聚合物相比,PEHMA50-DVB0.75作為黏度指數改進劑的剪切穩定性要優異得多,并且出現了剪切增稠的現象,具有用于高端潤滑油的潛力。
圖4. (a) PEHMA50-DVB0.75 (I, II) 和線型 PEHMA600 (III, IV) 調配的潤滑油的外觀,濃度為1 wt% 和 5 wt%;不同濃度聚合物添加劑調配的潤滑油的 (b) ΔVI, (c) ΔKV100 (d) SSI與KV100。
展開 年度最炫酷黑科技TOP10,每一個都讓你開始懷疑人生!
小編想說的是:
能屈能伸遇柔則柔遇剛則剛可以以柔克剛的非牛頓流體材料的一員而且是一種剪切增稠流體在減震吸能領域甩EVA HDPE 硅膠等幾十條街可以應用在滑雪服摩托車服劍道服護肩護膝手套鞋墊警用軍用防護裝備機器人仿生肌肉對環境可感知響應并且具有發現能力的新型智能減振吸能材料
P4U ?。?一口氣說了這么長,讓小編先喘一口氣
再給大家看看究竟是個啥黑科技
首先我們從國外講起
▼
國外有一種材料叫 D3O
在常規狀態下是柔軟的
卻能防住突然的受力撞擊
非常安全,非常有前途
雞蛋摔不碎,防撞防震能力一流
目前已經有上百種產品用到了D3O這種材料
從手機殼到護膝再到芭蕾舞鞋
再也不怕手機碎屏了有米有
中國市場對D3O也有強烈的需求
但 是
前期中國企業從國外采購時遇到不少阻力
難道國內就不能開發出類似的材料嗎?
我們就不能做出“國產版的D3O嗎”??
可以的!
他就是前面提到的
P4U
小編:【點擊以下圖片】看看這個國產的黑科技!
????
NO.2 能吃的塑料袋
嗯,你沒看錯
塑料也能吃!
展開 十大材料黑科技,看完我想學材料!
說的是:
能屈能伸遇柔則柔遇剛則剛可以以柔克剛的非牛頓流體材料的一員,而且是一種剪切增稠流體在減震吸能領域甩EVA HDPE 硅膠等幾十條街可以應用在滑雪服摩托車服劍道服護肩護膝手套鞋墊警用軍用防護裝備機器人仿生肌肉對環境可感知響應并且具有發現能力的新型智能減振吸能材料
P4U 究竟是個啥黑科技?國外有一種材料叫 D3O
在常規狀態下是柔軟的,卻能防住突然的受力撞擊,非常安全,非常有前途
雞蛋摔不碎,防撞防震能力一流
目前已經有上百種產品用到了D3O這種材料
從手機殼到護膝再到芭蕾舞鞋
再也不怕手機碎屏了
中國市場對D3O也有強烈的需求!但是前期中國企業從國外采購時遇到不少阻力
難道國內就不能開發出類似的材料嗎?
我們就不能做出“國產版的D3O嗎”??
可以的!他就是前面提到的P4U
02.
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